第1章 光伏并網系統的工作原理 1.1光伏并網系統光伏并網系統就是將太陽能光伏系統與電力網相連接的系統。并網逆變器是 并網光伏發電系統的核心部件和技術關鍵。除了將光伏陣列發出的直流電轉換為 交流電，與普通逆變器不同的是，并網逆變器還需對轉換的交流電的頻率、電壓、 電流、相位、有功與無功、電能品質（電壓波動、高次諧波）等進行控制，使轉 換后的交流電的電壓、頻率與電網交流電的電壓、頻率一致。一般來說，并網逆變器具有如下功能：（1） 自動開關。根據日出到日落的日照條件，盡量發揮光伏陣列輸出功率 的潛力，在此范圍內實現自動開始和停止。（2）最大功率跟蹤（）控制。在不同的外界溫度和太陽光照強度條件下， 使光伏陣列盡量保持最大功率輸出的工作狀態。（3）并網時抑制高次諧波電流流入電網，減少對電網的影響。（4） 防止孤島運行。系統所在地發生停電，但由于光伏發電繼續供電，逆 變器的輸出電壓并未變動。此時，就不能正常檢測出是否停電，一旦再恢復來電， 就有可能造成事故，這種情況稱為孤島運行。為保護設備維修人員不受到傷害， 并網逆變器需要具備此功能。（5） 自動電壓調整。由于大量的太陽能光伏系統與電網相聯，晴天時太陽 能光伏系統的剩余電能會同時送往電網，使電網的電壓上升，導致供電質量下降。

為保持電網的電壓正常，運轉過程中要能夠自動防止并網逆變器輸出電壓上升。 但對于小容量的太陽能光伏系統來說，幾乎不會引起電壓上升，所以一般省去此 功能。（6） 異常情況排解與停止運行。當系統所在地電網或逆變器發生故障時， 及時查出異常，控制逆變器停止運轉。 1.2并網逆變器的結構和原理光伏并網發電系統中，逆變器作為太陽能光伏陣列和電網的連接部分，在不 同的應用場合，根據太陽能光伏陣列的輸出電流、電壓和功率等級和并網需求可 以采用多種逆變器的連接方式。1 / 9（1）集中逆變器。多組串聯的光伏組件并聯后再接在逆變器的直流輸入側， 再通過逆變器變換為交流電并入單相或三相電網。由于只有一個逆變器，系統設 計成本低。但是光伏組件的輸出不平衡使系統損耗較多，此外單逆變器結構使系 統可靠性下降。它主要應用于大規模的沙漠光伏電站。（2）組串逆變器。光伏組件被連接成為幾個相互平行的組串，每個組串都 單獨連接一臺逆變器，故稱為“組串逆變器”。各光伏組串之間沒有在直流側進 行并接，而是在交流側與電網并接。每個組串逆變器均具有獨立的最大功率跟蹤 單元，從而減少了光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的現象和部分陰影帶來的 損耗，增加了發電量。

它主要應用于中大型光伏電站、較大型戶用屋頂并網發電 和城市分布式發電系統。（3）組件逆變器（光伏模塊）。每個組件連接一臺逆變器，交流側并入低壓 電網，并對各個組件實現最大功率跟蹤控制，增加了逆變器對組件的匹配性，同 時模塊化結構也增加了系統的可擴展性。然而過多的逆變器使系統整體效率降低。 它主要應用于小型光伏發電。逆變器一般包括三部分：? 逆變部分：其功能是采用功率開關器件實現 逆變。有的逆變器為了提高直流側的電壓范圍和 控制采用了多級的逆變結構；? 控制部分：其功能是控制整個逆變器工作；? 保護部分：其功能是在逆變器內部發生故障時起安全保護作用。并網逆變器輸出電流控制方式：瞬時滯環比較控制方式，定時比較控制方式 （三態和兩態），三角波比較控制方式（雙極性、單極性非倍頻和單極性倍頻）。為了防止太陽能光伏陣列的直流電流向電力系統的配電線，給電力系統造成 不良影響，在并網逆變器中一般設有絕緣變壓器將直流電與交流電分開。絕緣變 壓器可以設置在逆變器與電網配線之間，也可采用在逆變器的功率轉換部分設置 內藏方式。基于并網安全性的考慮，部分國家強制要求并網逆變器與電網絕緣隔 離。根據采用的絕緣隔離方式，并網逆變器電路結構通常分為以下三種：1）工頻變壓器絕緣工頻變壓器絕緣方式主電路將光伏陣列的直流輸出逆變為交流電后，通過工 頻變壓器實現并網。

其中采用工頻變壓器使輸入和輸出絕緣，主電路和控制電路2 / 9 簡單。為了追求效率、減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選的比較低， 因此質量和體積較大，約占逆變器的總質量的 50%左右，該結構是最早的一種 主電路形式，現在它的應用已經越來越少。2）高頻變壓器絕緣高頻變壓器絕緣方式主電路由太陽能光伏陣列直流輸入，經過高頻逆變器轉 換成高頻交流電壓，經高頻變壓器變換電壓后，再經整流電路轉換成直流電，最 終經過逆變器輸出工頻交流電。其中采用了高頻鏈接的 變換電路，所以可使裝 置小型化、可集成化、重量輕。與工頻變壓器絕緣方式相比，電路構成、控制方 式均比較復雜，由于經過兩級轉換，所以系統的效率也有所下降。該結構是 20 世紀90年代比較主流的主電路結構。3）無變壓器絕緣在無變壓器絕緣方式的主電路中，光伏陣列的直流輸出經過升壓斬波器升壓 至合適的電壓值，再通過逆變實現交流輸出。其中升壓 部分可以適應較寬的直 流電壓范圍，有利于光伏陣列實現最大功率輸出，同時保證了逆變部分輸出電流 相對穩定。與變壓器絕緣方式相比，由于無隔離變壓器的絕緣方式除了具有體積小、質 量輕的特點外，還具有效率高、成本較低的特點。

雖然沒有采用變壓器進行輸入 和輸出絕緣，但是只要采用適當措施，同樣可保證主電路和控制電路運行的安全 性。它已成為目前主流的并網逆變器主電路結構。對于無變壓器結構的逆變器，由于輸出電流的直流成分很可能給電網側設備 的變壓器造成影響；此外當太陽能陣列的直流部分對地電位發生變動時，有可能 通過太陽能陣列的寄生電容而發生漏電。因此為了使無變壓器結構的逆變器安全 運行，必須采取一定的措施：（l）由于無變壓器形式主電路沒有變壓器對輸入和輸出絕緣，因此太陽能 光伏陣列的正極或負極不能直接接地。系統的接地點應在交流輸出的單相三線制 中性點。另外，由于太陽能陣列面積較大，對地有等效電容存在（正極等效電容 和負極等效電容），該電容的充、放電會對電路的正常工作造成影響。當其低頻 部分達到漏電流的保護閾值時，漏電流保護開關會切斷供電電源光伏并網，造成斷電事故； 其高頻部分產生的電磁干擾會影響其他用電設備的正常工作。等效對地電容充放3 / 9 電電流的低頻部分的影響可以通過控制逆變器變換方式來消除；高頻部分的影響 可以由濾波的方式來消除。（2）為了防止太陽能光伏陣列接地造成主電路損壞，還應增設接地保護電 路。在系統運行過程中，應通過零序互感器來檢測太陽能陣列的正、負極的接地 電流。

正常情況下，正、負極的接地電流應基本平衡，若不平衡電流值超過接地 保護電路的閾值，說明光伏陣列的正極或負極有可能接地，此時，接地保護電路 動作，切斷逆變器的輸出，系統停止工作。 1.3逆變器性能的技術參數體現逆變器性能的技術參數主要包含以下幾個方面：（l）額定輸出電壓（穩壓能力）在規定的輸入直流電壓允許波動范圍內， 它表示逆變器輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩定度有如下規定：在逆 變器穩定運行時，電壓波動范圍有一個限定，如其偏差不超過[鍵入文字]額定值的3%；在負載突變或其他干擾因素影響的情況下，輸出電壓偏差不 超過額定值的8%。（2）電壓波形失真度 當逆變器輸出電壓為正弦波時，應規定允許的最大 波形失真度（諧波含量）。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，對單相逆變器 其值不應超過10%，對三相逆變器其值不應超過5%。（3）額定輸出頻率 逆變器輸出交流電壓的頻率應是一個相對穩定值，通 常為工頻50。正常工作條件下其偏差應在1%以內。（4）輸出電壓不均衡度 這個一般用于三相逆變。在正常工作條件下，逆 變器輸出三相電壓的不平衡度應不超過一個規定值，如5%。（5）額定電流（或額定功率） 它表示在規定的負載功率因數范圍內，逆 變器的額定輸出電流。

有的產品給出的額定功率，其單位為 V*A （伏安）或*A （千伏安）。注：逆變器的額定功率是當功率因數為1時（可以通過逆變器控制 系統進行控制），額定輸出電壓與額定輸出電流的乘積。（6）負載功率因數 它表示逆變器帶感性負載或容性負載的能力。在正弦 波條件下，負載功率因數應為0.7-0.9，額定值為0.9。注：功率因數越接近1越 好。（7）逆變器效率 它表示在規定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之4 / 9 比，以百分比表示。逆變器在額定輸出功率下的效率為額定效率，10%額定功率 輸出功率下的效率為低負荷效率。（8）啟動特性 它表示逆變器帶載啟動的能力和動態工作時的性能。逆變 器應能夠在額定負載下直接啟動，能夠根據負載的變化很快的響應并調節輸出功 率。（9）各種保護能力 如：逆變器的過流保護，應能夠保證在負載發生短路 或電流超過允許值時及時動作，既保護了逆變器本身，又有利于負載安全；過壓 保護，應能夠保證出現故障導致輸出電壓過高時能及時實施保護措施，以使負載 免受輸出過電壓的損害；過載保護，當逆變器的負載變化，導致逆變器輸出超出 額定功率許多，一般為額定負載的 150%，應能夠及時切斷逆變器從而起到保護 的功能。

(10)噪聲 電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關、大功率開關器 件及風扇等部件都會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過 80，小功 率逆變器的噪聲應不超過65。 1.4 控制方法（ ）的控制目的就是實現光伏電池的最大功率輸出。實質上是一個動態 自尋優過程，通過對當前光伏電池輸出的電壓V與電流I 的檢測，求得當前光伏 電池的輸出功率，然后與前一時刻光伏電池的輸出功率相比較，取大的值；在下 一周期，再檢測V、I，再比較取大值，如此循環，便可實現控制。控制算法有很多方式，常用的有恒電壓跟蹤法、擾動觀察法、增量電導法以 及模糊控制算法等。本節就對這些常用的方法作一介紹。a）恒電壓跟蹤法從嚴格意義上來說恒電壓跟蹤法是一種曲線擬合的工作方式，它的工作原理 是：室外溫度一定時，光伏電池的最大功率點的分布幾乎是在一垂直線兩側，也 就是說光伏電池的最大功率點對應某個恒定電壓，只需找到并控制光伏電池 使之輸出恒定在即可。實際上這是把控制簡化成穩壓控制。恒電壓跟蹤法優點明顯：控制簡單易實現、可靠性高，能提高光伏電池20% 的效率。缺點就是忽略了環境溫度對光伏電池輸出電壓的影響。以單晶硅為例， 環境溫度每升高 1度，其光伏電池輸出電壓下降0.30.4%。

也就是說光伏電池最5 / 9 大功率點對應的會隨著環境溫度的變化而變化。所以恒電壓跟蹤法不適合溫 度變化較大的場所。b）擾動觀察法擾動觀察法（ ，簡稱法）的原理是先給一個擾動輸出電壓信號（）， 然后測量光伏電池輸出功率的變化并與擾動前的功率相比較，如果大于之前的功 率值，表明擾動方向正確，可繼續向同一（+△U）方向擾動；如果小于之前的功 率值，則往反方向（-△U）方向擾動。此方法的優點是結構簡單，要測量的參數 少，通過不斷擾動達到最大功率的輸出。缺點就是初始值 和跟蹤步長△U 值 的選取，這個對跟蹤精度和速度有很大的影響，而且在光伏達到最大功率點處擾 動仍會繼續，這就有可能在最大功率點附近振蕩，導致功率損失，降低光伏電池 的效率。c）增量電導法增量電導法（ ，簡稱法）與擾動觀察法最大的區別就是避免了盲目性。擾 動觀察法是通過調整工作點的電壓，使之逐漸接近最大功率點電壓來實現光伏電 池的最大功率點的跟蹤，它不知道最大功率點大致在什么方向。而增量電導法能 判斷出工作點電壓與最大功率點之間的關系，通過每次的測量和比較估算出最大 功率點的大致位置，再根據計算結果進行調整，避免了電壓調整時的盲目性，也 保證了在日照強度變化時，光伏電池的輸出端電壓以平穩的方式變化，其電壓的 波動較擾動觀察法小。

d）最大功率點跟蹤的模糊控制控制算法是以模糊集合理論、模糊語言以及模糊邏輯推理為基礎的控制思想， 是一種非線性智能控制方法。模糊控制的基本原理如圖 1.1所示。在設計模糊控制器的時候要注意以下幾點：? 確定模糊控制器的輸入量和輸出量；? 列寫出模糊控制器的規則；? 選擇論域并確定相關參數。6 / 9控制電路參數設計包括兩部分，電感 L 設計和電容 C 設計。經計算可得，由高等數學求導得最大值算出當時，L 取到最大值：，因此為保證額定情況下滿足紋波電流的要求，L應滿足。 通過計算，為保證直流母線的電壓波動小于允許值，則平均電容 值應大于等于，這樣根據以上所述的方法求出電路所需要的電感L和電容C，從 而保證系統工作時能使波動在允許范圍內。 1.5并網逆變器的 控制策略（ ）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度 進行調制，來等效的獲得所需要的波形（包括形狀和幅值）。當前的的實現方式 主要有、準最優、電流滯環以及電壓空間矢量（）控制等等。1） 三相控制是逆變器較常用的 調制方式，技術上已經很成熟。方式簡單易實現；缺點 就是調制度低，輸出線電壓幅值最大為的輸入電壓的0.866倍。

與其它控制方式 相比，在相同開關頻率下，控制方式的開關損耗較大。基本原理就是把希望輸出 的正弦波作為調制信號，把接收調制的信號作為載波，通過調制波與載波相比得 到期望的波形。一般采用三角波作為載波，而其等腰三角波應用最多。這是因為 等腰三角形上任一點的水平寬度和高度成線性關系，且左右對稱，當它與任一平 緩變化的調制信號相交時對電路中的開關器件進行通斷控制，這就可以得到寬度 正比于信號波幅值的脈沖。所以調制信號為正弦波時，所得到的就是波形。2）準最優控制準最優控制與控制不同的地方僅在于調制信號，它是在正弦信號的基礎上疊 加一個三次諧波，且三次諧波的相位與調制波同相。這種準最優控制方式的特點 有：電壓利用率較的高光伏并網，最高可達91%；不包含低次諧波的干擾；功率器件的開 關頻率與載波頻率相同。3） 電流滯環控制電流滯環控制屬于跟蹤型變流控制，同屬于跟蹤型的還有三角波比較。采用 電流跟蹤型控制技術有如下優點：硬件電路簡單，不需要載波發生器；7 / 9? 電流響應快，可用于實時控制；? 輸出電壓波形不含有特定諧波；? 屬于閉環控制。4） 空間矢量電壓（）控制空間矢量脈寬調制 （ ）控制技術常用于交流感應電機的一種控制方式， 控制三相電壓型逆變器的功率開關器件的開關觸發順序和脈寬寬度。

這種開關觸 發順序和脈寬寬度的組合在電機定子線圈中產生 3 個互差電角度且波形失真較 小的正弦波電流。空間電壓矢量技術從電機角度出發，著眼于使電機獲得幅值恒 定的圓形磁場。利用逆變器不同的開關模式產生實際磁通去逼近基準磁通圓，不 僅能達到較高的控制性能，而且由于它把逆變器和電機看作一個整體來處理，使 得系統模型簡單，便于用數字化實現，并且具有噪聲低、電壓利用率高的特點。目前應用于逆變器控制是技術主要有兩個：一是基于固定頻率的電流控制， 該方法利用同步旋轉坐標系中的電流調節器計算出電壓指令，在通過電壓空間矢 量跟蹤電壓指令信號，從而實現控制方法；二是利用基于滯環電流控制的，即利 用電流偏差矢量或電流偏差變化率矢量空間分布給出最佳的電壓矢量切換，是電 流偏差控制在滯環環寬以內，此方式的開關頻率是變化的。 1.6逆變器的保護通常并網逆變器的基本保護功能有：輸入過壓欠壓保護，輸入過流保護，短 路保護，過熱保護，防雷擊保護；并網保護有：輸出過壓保護，輸出過流保護， 過頻、欠頻保護以及防孤島效應保護。各保護功能說明見表1，其中對于光伏并 網最重要的一個仍是防孤島效應保護，是當今國內外研究熱點。表1 并網逆變器保護功能說明當逆變器的輸入電壓超過額定電壓的±10%時，輸入欠壓、過壓保護逆變器應能自動關機 基本 過電流、短路保護 當輸入電流超過額定值的150%或出現短路電流 保護時，逆變器應能自動關機極性反接保護輸入直流極性接反時，逆變器應能停止輸出過熱保護當功率模塊溫度超過限定值，逆變器應自動關機8 / 9雷電保護室外逆變器應內置避雷裝置，防止雷擊當電網電壓超出正常值的±10%時，逆變器應立輸出過壓、欠壓保護刻脫離電網輸出頻率波動范圍是±0.5，當電網頻率超出此輸出過頻、欠頻保護 并網范圍時，逆變器應立刻脫離電網 保護若大于輸出電流的 0.5%時，應斷開逆變器進行輸出直流含量檢修當出現孤島現象，逆變器必須在規定時間內脫離防孤島保護電網當光伏發電系統正常工作時，逆變器將發出的電能輸送到電網。

若電網因故 障斷電時，如果系統不能及時的檢測到電網斷電而繼續向電網輸送電能，則此時 光伏系統夠成了一個獨立供電系統，稱此現象為孤島效應。形成孤島的原因一般 有兩個：一是電網故障檢測裝置動作后，而光伏逆變器沒有檢測到故障；二是自 然環境因素造成電網線路發生故障。孤島現象會對整個電網設備和用戶設備造成 影響，甚至是損壞設備，主要有以下四種情況：（1）發生孤島時，電網無法對逆變器輸出的電壓、頻率進行調節。一旦 現過壓、欠壓或者是過頻、欠頻時，易損壞用戶設備；